Revista de Gestão Costeira Integrada
Volume 12, Número 2, Junho 2012, Páginas 195-222

DOI: 10.5894/rgci314
* Submissão: 6 Dezembro 2011; Avaliação: 7 Janeiro 2012; Recepção da versão revista: 17 Janeiro 2012; Aceitação: 22 Maio 2012; Disponibilização on-line: 12 Junho 2012

Erosão de dunas com os modelos Xbeach e Litprof

Dune Erosion with the XBeach and Litprof Models

Filipa S. B. F. Oliveira ¹

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1 - Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal. e-mail: [email protected]

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RESUMO
Este estudo visa melhorar a avaliação e previsão da vulnerabilidade/resiliência de sistemas dunares à acção das ondas em condições de tempestade marítima. O objectivo foi avaliar o desempenho dos modelos XBeach e Litprof na erosão de dunas. Testaram-se os modelos para um caso de verificação de erosão de duna realizado em canal de grande escala de laboratório. A avaliação do desempenho dos modelos baseou-se na análise da evolução morfológica, em indicadores de impacto (volume de erosão, recuo da duna e recuo do topo da duna) e num indicador de erro
(Brier Skill Score). Apresentam-se e testam-se os parâmetros por defeito (standard set of parameter settings) para ambos os modelos. Da avaliação de desempenho dos dois modelos com os parâmetros por defeito concluiu-se que o desempenho do modelo XBeach é bom e do modelo Litprof é fraco. Recomenda-se que numa aplicação de engenharia para previsão da erosão de dunas, em que importa não só a precisão como também estar do lado da segurança, o modelo XBeach com os parâmetros por defeito deve ser usado com precaução, uma vez que o volume de erosão foi subestimado. Apresentam-se, discutem-se e testam-se os parâmetros de calibração para ambos os modelos. Concluiu-se que os parâmetros mais influentes na evolução morfológica foram: beta, break, facua, gammax, hswitch, lws e wetslp para o modelo XBeach, e Maximum Angle of Bed Slope para o modelo Litprof. Os parâmetros lws e wetslp do modelo XBeach foram aqueles que conferiram ao perfil final uma geometria mais próxima da configuração observada. Os resultados obtidos para o indicador de erro BSS evidenciam que o melhor desempenho foi obtido com alteração do parâmetro lws e que o segundo melhor desempenho foi obtido com a alteração do parâmetro wetslp, sendo a ambos atribuída a classificação de excelente. Uma vez que a modificação do parâmetro lws permitiu melhorar a previsão de duas características fundamentais sob o ponto de vista da engenharia que são o recuo do topo da duna e o limite da extensão da zona activa (onde se observou a formação da barra submersa durante a experiência), considera-se que ele é de grande relevância na simulação da evolução da erosão de dunas com o modelo XBeach. No seu melhor desempenho, o modelo Litprof calibrado reproduziu correctamente o recuo do topo da duna, simulou a formação de uma barra submersa na posição observada experimentalmente, simulou incorrectamente o volume de erosão (cerca de metade do observado) e o declive da duna, e consequentemente gerou um avanço da duna ao nível da água em vez de recuo. Por este motivo, recomenda-se precaução na aplicação do modelo Litprof para previsão da erosão de dunas. Da comparação dos modelos morfodinâmicos XBeach e Litprof nas duas fases, i.e., na fase de teste com os parâmetros por defeito e na fase de calibração, concluiu-se que foi o modelo Xbeach que apresentou o melhor desempenho neste caso de estudo. A execução deste estudo permitiu testar e ficar a conhecer a elevada capacidade do modelo XBeach e a razoável capacidade do modelo Litprof na previsão da erosão de dunas.

Palavras-chave: Erosão Costeira, Duna, Modelação Morfodinâmica, XBeach, Litprof.

ABSTRACT
The present study aims to improve the evaluation and prediction of the vulnerability/resilience of dune systems to the wave action under maritime storm conditions. The objective was to evaluate the performance of the XBeach and Litprof deterministic numerical models for dune erosion. The models were tested for a case of dune erosion performed in a large scale channel laboratory test. The evaluation of the models performance was based on the analysis of the morphological evolution, on impact indicators (erosion volume, dune retreat and retreat of the top of the dune) and on an error indicator (Brier Skill Score). The default parameters (standard set of parameter settings) are presented and tested for both models. The conclusion on the models performance with the default parameters was that the XBeach model is good and the Litprof model is poor. It is recommended that for an engineering application of dune erosion prediction, where accuracy and safety are both important, the XBeach model with the default parameters should be applied with precaution since the erosion volume was underestimated. The calibration parameters are presented, discussed and tested. It was concluded that the most influent parameters on the morphological evolution were: beta, break, facua, gammax, hswitch, lws and wetslp for the XBeach model, and Maximum Angle of Bed Slope for the Litprof model. The parameters lws and wetslp of the XBeach model were those which provided to the final profile the most similar geometry to the one observed in the laboratory experiment. The results obtained for the error indicator BSS revealed that the best performance was obtained by changing the calibration parameter lws and that the second best performance was obtained by changing the calibration parameter wetslp, having both been classified as excellent. Since the morphological change reached by changing the lws parameter improved the prediction of the two characteristics, which are crucial under an engineering point of view, retreat of the top of the dune and sea side limit of the extension of the active zone (where was observed the formation of the submerged bar during the experiment), it was concluded that this parameter is of great relevance in the simulation of dune erosion for the XBeach model. The Litprof model after calibration simulated correctly the retreat of the top of the dune, simulated the development of the submerged bar in the location observed in the experiment, simulated incorrectly the erosion volume (approximately half of the observed volume) and the dune face slope, and consequently caused an advance of the dune at the water level instead of a retreat. For this reason, it is recommended precaution in the application of the Litprof model for dune erosion. From the comparison of the XBeach and Litprof models in both stages, i.e., in the stage of testing the default parameters and in the stage of calibration, it was concluded that it was the XBeach model that had the best performance in this case study. This study allowed testing and acknowledging the high capacity of the XBeach model and the reasonable capacity of the Litprof model in the prediction of dune erosion.

Keywords: Coastal Erosion, Dune, Morphodynamic Modelling, XBeach, Litprof.

 

Battjes, J.A.; Janssen, J.P.F.M. (1978) - Energy Loss and Set-Up due to Breaking of Random Waves. Proceedings. 16th International Conference on Coastal Engineering, pp.569-587, Hamburg, Germany.

Battjes, J.A.; Stive, M.J.F. (1984) - Calibration and verification of a dissipation model for random breaking waves. Proceedings 19th International Conference on Coastal Engineering, pp.649-660, Houston, Texas, U.S.A..

Brandenburg, P.G.F. (2010) - Scale dependency of dune erosion models. Performance assessment of the DUROS and XBeach models for various experiment scales. M.Sc. Thesis, 121 pp., University of Twente, The Netherlands. Não publicado.

Damgaard, J.; Dodd, N.; Hall, L.; Chesher, T. (2002) - Morphodynamic modelling of rip channel growth. Coastal Engineering, 45(3-4):199-221. DOI: 10.1016/S0378-3839(02)00034-0.

de Vries, J.S.M.v.T.; van Gent, M.R.A.; Walstra, D.J.R.; Reniers, A.J.H.M. (2008) - Analysis of dune erosion processes in large-scale flume experiments. Coastal Engineering, 55(12):1028-1040.
DOI: 10.1016/j.coastaleng.2008.04.004.

DHI (2008) - Profile development. LITPROF user guide. 74pp, Danish Hydraulic Institute, Denmark.

Doering, J.C.; Bowen, A.J. (1995) - Parametrization of orbital velocity asymmetries of shoaling and breaking waves using bispectral analysis. Coastal Engineering, 26(1-2):15-33.
DOI: 10.1016/0378-3839(95)00007-X.

Feddersen, F.; Guza, R.T.; Elgar, S.; Herbers, T.C. (2000) - Velocity moments in alongshore bottom shear stress parameterizations. Journal of Geophysical Research, 105(C4):8673-8688.
DOI: 10.1029/2000JC900022.

Fenton, J. (1985) - A fifth-order Stokes theory for steady waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE, Vol. 111: 216-234. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-950X.

Guza, R.T.; Thornton, E.B. (1982) - Swash oscillations on a natural beach. Journal of Geophysical Research, 86(C5):4133-4137.
DOI: 10.1029/JC087iC01p00483.

Larson, M.; Kraus, N.C. (1989) - SBEACH: Numerical model for simulating storm-induced change. Report 1. Empirical formulation and model development. 267 p, Technical report CERC-89-9, US Army Engineer Waterways Experiment Station, Coastal Engineering Research Center, Vicksburg, MS, U.S.A,. Não publicado.

Nairn, R.B.; Roelvink, J.A.; Southgate, H.N. (1990) - Transition zone width and implications for modelling surfzone hydrodynamics. Proc. 22nd International Conference on Coastal Engineering, pp.68-81, Delft, The Netherlands.

Oliveira, F.S.B.F. (2001) - Transporte Litoral perpendicular à costa. Relatório 1 - Modelação Matemática da Hidrodinâmica e Transporte de Sedimentos na Zona Costeira. 39 p., Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal. Não publicado.

Oliveira, F.S.B.F. (2011) - Avaliação do modelo de erosão de praias e dunas XBeach. 26 p., Relatório 326/2011 – NEC, Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal,. Não publicado.

Phillips, O.M. (1977) - The dynamics of the upper ocean. 2nd ed. 336p., Cambridge University Press, New York, NY, U.S.A. ISBN: 978-0521298018.

Raubenheimer, B.; Guza, R.T. (1996) - Observations and predictions of run-up. Journal of Geophysical Research, 101(C10):25575-25587.
DOI: 10.1029/96JC02432.

Reniers, A.J.H.M.; Roelvink, J.A.; Thornton, E.B. (2004a) - Morphodynamic modelling of an embayed beach under wave group forcing. Journal of Geophysical Research, 109(C1):1-22. DOI: 10.1029/2002JC001586.

Reniers, A.J.H.M.; Thornton, E.B.; Stanton, T.; Roelvink, J.A. (2004b) - Vertical flow structure during Sandy Duck: observations and modelling. Coastal Engineering, 51(3):237-260.
DOI: 10.1016/j.coastaleng.2004.02.001.

Roelvink, D.; Reniers, A.; Dongeren, A.; Vries, J.T.; Lescinski, J.; McCall, R. (2010) - XBeach model description and manual. 106 p., Report, June 21, 2010 version 6. Unesco-IHE Institute for Water Education, Deltares and Delft University of Technology, Delft, The Netherlands. Não publicado.

Roelvink, D.; Reniers, A.; Dongeren, A.; Vries, J.T.; McCall, R.; Lescinski, J. (2009) - Modelling storm impacts on beaches, dunes and barrier islands. Coastal Engineering, 56(11-12):1133-1152.
DOI: 10.1016/j.coastaleng.2009.08.006.

Roelvink, J.A. (1993) - Dissipation in random wave groups incident on a beach. Coastal Engineering, 19(1-2):127-150.
DOI: 10.1016/0378-3839(93)90021-Y.

Roelvink, J.A.; van Kessel, T.; Alfageme, S.; Canizares, R. (2003) - Modelling of barrier island response to storms. Proceedings Coastal Sediments ’03, Clearwater, Florida, 17 pp. ISBN: 978-981-238-422-5(CD).

Ruessink, B.G.; Miles, J.R.; Feddersen, F.; Guza, R.T.; Elgar, S. (2001) - Modeling the alongshore current on barred beaches. Journal of Geophysical Research, 106(C10):22451-22463.
DOI: 10.1029/2000JC000766.

Sallanger, A.H. (2000) - Storm impact scale for barrier islands. Journal of Coastal Research (ISSN 0749-0208.), 16(3):890-895, West Palm Beach, Florida, U.S.A.

Soulsby, R.L. (1997) - Dynamics of Marine Sands. 249pp, Ed. Thomas Telford, London, U.K. ISBN: 9780727725844.

Soulsby, R.L.; Hamm, L.; Klopman, G.; Myrhaug, D.; Simons, R.R.; Thomas, G.P. (1993) - Wave‑current interaction within and outside the bottom boundary layer. Coastal Engineering, 21(1-3):41-69.
DOI: 10.1016/0378-3839(93)90045-A.

Stive, M.J.F.; Vriend, H.J. (1994) - Shear stresses and mean flow in shoaling and breaking waves. In: Edge, B.L. (ed.), Proceedings. 24th International Conference on Coastal Engineering, pp.594-608, American Society of Civil Engineering, Kobe, Japan.

Svendsen, I.A. (1984) - Wave heights and set-up in a surf zone. Coastal Engineering, 8(4):303-329. DOI: 10.1016/0378-3839(84)90028-0.

Tucker, M.J. (1954) - Surfbeats: sea waves of 1 to 5 minutes’ period. Proceedings of the Royal Society of London, Ser A 202:565-573.
DOI: 10.1098/rspa.1950.0120.

U.S. Army Corps of Engineers (1984) – Shore Protection Manual. Department of the Army. Waterways Experiment Station, Corps of Engineers. Coastal Engineering Reserach Center. DOI: OL3001149M.

van Rijn, L.C.; Walstra, D.J.R.; Grasmeijer, B.; Sutherland, J.; Pan, S.; Sierra, J.P. (2003) - The predictability of cross-shore bed evolution of sandy beaches at the time scale of storms and seasons using process-based profile models. Coastal Engineering, 47(3):295-327.
DOI: 10.1016/S0378-3839(02)00120-5.

Vellinga, P. (1986) - Beach and dune erosion during storm surges. 169p., Ph.D. thesis Delft University of Technology. Delft, The Netherlands. Não publicado.

Vousdoukas, M.I.; Almeida, L.P.; Ferreira, Ó. (2011) - Modelling storm-induced beach morphological change in a meso-tidal, reflective beach using XBeach. Journal of Coastal Research (ISSN: 0749-0208) SI64:1916‑1920. Szczecin, Poland.

WL | Delft Hydraulics (2006) - Dune erosion: Product 2: Large-scale model tests and dune erosion prediction method. 213p., Report H4357, Deft, The Netherlands. Não publicado.

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